Fisici di tre continenti riportano la prima prova sperimentale per spiegare l'insolito comportamento elettronico dietro il superconduttore più sottile del mondo, un materiale con una miriade di applicazioni perché conduce l'elettricità in modo estremamente efficiente. In questo caso il superconduttore è spesso solo uno strato atomico.

Il lavoro, guidato da un professore del MIT e da un fisico del Brookhaven National Laboratory, è stato possibile grazie alla nuova strumentazione disponibile solo in poche strutture al mondo. I dati risultanti potrebbero aiutare a guidare lo sviluppo di superconduttori migliori. Questi a loro volta potrebbero trasformare i campi della diagnostica medica, informatica quantistica, e trasporto di energia, che utilizzano tutti superconduttori.

Il soggetto del lavoro appartiene a un'entusiasmante classe di superconduttori che diventano superconduttori a temperature di un ordine di grandezza superiori alle loro controparti convenzionali, rendendoli più facili da usare nelle applicazioni. I superconduttori convenzionali funzionano solo a temperature intorno ai 10 Kelvin, o -442 Fahrenheit.

Questi cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, però, non sono ancora del tutto compresi. "Le loro eccitazioni e dinamiche microscopiche sono essenziali per comprendere la superconduttività, eppure dopo 30 anni di ricerca, molte domande sono ancora molto aperte, " dice Riccardo Comin, la classe del 1947 Career Development Assistant Professor di Fisica al MIT. Il nuovo lavoro, che è riportato il 25 maggio, numero 2021 di Comunicazioni sulla natura , aiuta a rispondere a queste domande.

Il superconduttore più sottile al mondo

Nel 2015 gli scienziati hanno scoperto un nuovo tipo di superconduttore ad alta temperatura:un foglio di seleniuro di ferro dello spessore di un solo strato atomico in grado di supercondurre a 65 Kelvin. In contrasto, campioni sfusi dello stesso materiale supercondotto a una temperatura molto più bassa (8 Kelvin). La scoperta "ha scatenato una raffica investigativa per decodificare i segreti del superconduttore più sottile del mondo, "dice Comin, che è anche affiliato al Materials Research Laboratory del MIT.

In un metallo normale, gli elettroni si comportano in modo molto simile a singole persone che ballano in una stanza. In un metallo superconduttore, gli elettroni si muovono in coppia, come le coppie a un ballo. "E tutte queste coppie si muovono all'unisono, come se fossero parte di una coreografia quantistica, portando infine a una sorta di superfluido elettronico, "dice Comin.

Ma qual è l'interazione, o "colla, " che tiene insieme queste coppie di elettroni? Gli scienziati sanno da molto tempo che nei superconduttori convenzionali, che la colla è derivata dal movimento degli atomi all'interno di un materiale. "Se guardi un solido seduto su un tavolo, non sembra fare nulla, " dice Comin. Tuttavia, "Stanno succedendo molte cose su scala nanometrica. All'interno di quel materiale gli elettroni volano in tutte le direzioni possibili e gli atomi sferragliano, vibrano". Nei superconduttori convenzionali, gli elettroni usano l'energia immagazzinata in quel movimento atomico per accoppiarsi.

La colla dietro l'accoppiamento degli elettroni nei superconduttori ad alta temperatura è diversa. Gli scienziati hanno teorizzato che questa colla sia correlata a una proprietà degli elettroni chiamata spin (un altro, proprietà più familiare degli elettroni è la loro carica). Lo spin può essere pensato come un magnete elementare, dice Pelliciari. L'idea è che in un superconduttore ad alta temperatura, gli elettroni possono raccogliere parte dell'energia da questi spin, note come eccitazioni di spin. E quell'energia è la colla che usano per accoppiarsi.

Fino ad ora, la maggior parte dei fisici pensava che sarebbe stato impossibile rilevare o misurare le eccitazioni di spin in un materiale spesso solo uno strato atomico. Questo è il notevole risultato del lavoro riportato in Comunicazioni sulla natura . Non solo i fisici hanno rilevato eccitazioni di spin, ma, tra l'altro, hanno anche mostrato che le dinamiche di spin nel campione ultrasottile erano notevolmente diverse da quelle del campione bulk. Nello specifico, l'energia degli spin fluttuanti nel campione ultrasottile era molto più alta, di un fattore quattro o cinque, rispetto all'energia degli spin nel campione di massa.

"Questa è la prima prova sperimentale della presenza di eccitazioni di spin in un materiale atomicamente sottile, "dice Pelliciari.

Attrezzature all'avanguardia

Storicamente, lo scattering di neutroni è stato utilizzato per studiare il magnetismo. Poiché lo spin è la proprietà fondamentale del magnetismo, lo scattering di neutroni sembrerebbe essere una buona sonda sperimentale. "Il problema è che la diffusione di neutroni non funziona su un materiale che è spesso solo uno strato atomico, "dice Pelliciari.

Immettere lo scattering di raggi X anelastico risonante (RIXS), una nuova tecnica sperimentale che Pelliciari ha aiutato a pioniere.

Lui e Comin hanno discusso del potenziale dell'utilizzo di RIXS per studiare la dinamica di spin del nuovo superconduttore ultrasottile, ma Comin inizialmente era scettico. "Ho pensato, 'sì, sarebbe fantastico se potessimo farlo, ma sperimentalmente sarà quasi impossibile, '" ricorda Comin. "Ho pensato che fosse un vero colpo di luna." Di conseguenza, "quando Johnny raccolse i primissimi risultati, è stato strabiliante per me. avevo mantenuto le mie aspettative basse, quindi quando ho visto i dati, Sono saltato sulla sedia".

Solo poche strutture al mondo dispongono di strumenti RIXS avanzati. Uno, situato a Diamond Light Source (Regno Unito) e guidato dal Dr. Zhou, è dove il team ha condotto il suo esperimento. Un altro, che era ancora in costruzione al momento dell'esperimento, è al Brookhaven National Laboratory. Pelliciari è ora parte del team che gestisce la struttura RIXS, noto come Beamline SIX, presso la National Synchrotron Light Source II situata al Brookhaven Lab.

"L'impatto di questo lavoro è duplice, "dice il dottor Thorsten Schmitt, capo del gruppo Spettroscopia di nuovi materiali presso il Paul Scherrer Institut in Svizzera. Schmitt non è stato coinvolto nel lavoro. "Sul lato sperimentale, è un'impressionante dimostrazione della sensibilità di RIXS alle eccitazioni di spin in un materiale superconduttore spesso solo uno strato atomico. Per di più, si prevede che i [dati risultanti] contribuiranno alla comprensione del miglioramento della temperatura di transizione del superconduttore in tali superconduttori sottili." In altre parole, il lavoro potrebbe portare a superconduttori ancora migliori.

Dice Valentina Bisogni, scienziato capo della Beamline SIX, "La comprensione della superconduttività non convenzionale è una delle principali sfide affrontate dagli scienziati oggi. La recente scoperta della superconduttività ad alta temperatura in un film sottile monostrato di seleniuro di ferro ha rinnovato l'interesse per il sistema di seleniuro di ferro, in quanto fornisce un nuovo percorso per studiare i meccanismi che consentono la superconduttività ad alta temperatura.

"In tale contesto, il lavoro di Pelliciari et al. presenta un illuminante, studio comparativo di massa seleniuro di ferro e seleniuro di ferro monostrato sottile rivelando una drammatica riconfigurazione delle eccitazioni di spin." Bisogni non è stato coinvolto nel lavoro Pelliciari.